Bacterias magnéticas biomiméticas

Resumen

La producción de nanopartículas asistida por microorganismos es una ruta sintética de enorme potencial, tanto a nivel de laboratorio como industrial. Se trata de una ¿green-chemistry¿ que no requiere condiciones de alta presión y/o temperaturas elevadas ni el uso de reactivos tóxicos para el medio ambiente y además puede ser escalable a nivel industrial. Además, una ventaja adicional con respecto a los métodos tradicionales es el hecho que en tanto que las nanopartículas son sintetizadas por un organismo vivo, las condiciones metabólicas de dicho organismo pueden ser monitorizadas externamente, lo que suele conducir a una librería de nanopartículas de tamaño y forma diferentes. Y puesto que las propiedades de las nanopartículas son tremendamente dependientes de su tamaño y forma, el uso de microorganismos nos puede permitir en definitiva disponer de una factoría continua para la obtención de nanopartículas con diferentes propiedades. A pesar del interés en la síntesis de nanopartículas mediante microorganismos, se trata de un área relativamente poco explorada y de hecho, la mayoría de los resultados se limitan a la síntesis de nanopartículas de metales nobles, de forma muy especial, oro. Sin embargo, la capacidad de muchos microorganismos por transformar la materia y/o incorporarla a su estructura abre un abanico enorme de posibilidades que van más allá de ser ¿una vía más¿ de sintetizar nanopartículas metálicas mediante reducción de sus correspondientes iones metálicos. Por todo ello, se ha pretendido en esta tesis doctoral explorar las enormes posibilidades ofrecidas por ciertas familias de bacterias como Bacillus sphaericus JG-A12 o Lactobacillus fermentum para poder diseñar nuevos materiales con aplicaciones en distintas áreas relevantes como la biomedicina o la ciencia de materiales. La estructura y contenido de esta tesis doctoral es la siguiente: En el capítulo uno, hemos introducido a los actores principales de esta tesis doctoral. Presentamos unas breves pinceladas de conceptos básicos usados en esta Tesis como el de biofilm, S-layer, probiótico, biomineralización, etc. y ponemos la lupa en algunas cepas bacterianas con capacidad de sintetizar nanopartículas metálicas de forma natural y artificial. Una atención especial reciben las bacterias magnetotácticas, debido a su enorme importancia en esta tésis, ya que nos hemos fijado en su funcionalidad para mimetizar un sistema con una amplia variedad de aplicaciones, tanto en la industria farmacéutica a modo de suplemento de hierro para anémicos, como en biomedicina como agente de contraste para RMI. En el capítulo dos, explicamos la manera en la que hemos realizado los experimentos, dedicando un capítulo completo a materiales y métodos. En el capítulo tres, hemos abordado una nueva aproximación para la formación de ¿nano-patterning¿ de materiales basadas en el uso de S-layer como bioplataforma donde depositar de forma ordenada nanopartículas magnéticas. Para ello hemos hecho uso de la S-layer de Bacillus sphaericus JG-A12 como biotemplate para la deposición de nanopartículas de un derivado de azul de Prusia CsxNi[Cr(CN)6] (Nanopatterning of Magnetic CrNi Prussian Blue Nanoparticles Using a Bacterial S-Layer as a Biotemplate, Inorganic Chemistry 2015, 10.1021/acs.inorgchem.5b00555). Hemos podido demostrar que las nanopartículas se depositan siguiendo el patrón estructural de la S-layer y además que sus propiedades magnéticas se mantienen.En el capítulo cuatro, hemos diseñado un sistema compuesto de bacterias probióticas ácido lácticas de la cepa Lactobacillus fermentum y nanopartículas de óxido de hierro (maghemita). La incorporación, a nivel del biofilm externo de Lactobacillus fermentum, de miles de nanopartículas de maghemita, hace que la bacteria en su conjunto se comporte como un imán. Un imán vivo. El primer ejemplo de un imán vivo sintetizado en un laboratorio (Artificial Magnetic Bacteria: Living Magnets at Room Temperature, Advanced Functional Materials. 2014, 3489¿3493). La presencia de las nanopartículas de maghemita en la bacteria probiótica constituyen un sistema ideal para vehiculizar las nanopartículas magnéticas al aparato digestivo y poder detectar diversas patologías intestinales mediante MRI debido a la capacidad de las bacterias de anidar en el intestino humano. Las bacterias se rodean de una enorme cantidad de partículas de maghemita lo que facilita la interacción dipolar entre ellas y el aumento de sus propiedades magnéticas. De hecho, estas ¿bacterias magnéticas artificiales¿ se comportan como un imán a temperatura ambiente y se ordenan en presencia de un campo magnético externo. En el capítulo cinco, hemos querido explotar una propiedad singular de las bacterias magnéticas artificiales como es el hecho de que son un imán vivo a temperatura ambiente. En tanto que es un organismo vivo, pueden proliferar y llevar a cabo la división celular con el consiguiente reparto del material magnético entre las bacterias resultantes. Hemos realizado un estudio de las propiedades magnéticas en función del tiempo. No existen estudios de este tipo en la bibliografía. Hemos demostrado que la proliferación bacteriana conduce lógicamente a un menor número de partículas magnéticas por bacteria y hace que la interacción dipolar entre ellas sea menor (por encontrarse a mayor distancia). Esto tiene como consecuencia final el descenso de la temperatura de bloqueo del sistema, pasando de ser un imán a un sistema superparamagnético a temperatura ambiente. En el capítulo seis, con el objetivo de dar un paso más y explorar los límites de los sistemas creados en nuestro laboratorio, hemos querido aprovechar el potencial de las nanoestructuras creadas para diferentes aplicaciones. En este sentido, hemos explotado la enorme capacidad de las bacterias probióticas Lactobacillus fermentum por incorporar nanopartículas de maghemita como una nueva vía para el suplemento de hierro (¿Probiotic Bacteria comprising metals, metal nanoparticles and uses thereof¿, P8748EP00 P8748PC00, Application No.: PCT/EP2014/063246, Publication No.: WO 2014/206969). El hecho de que las bacterias sigan siendo viables después de la incorporación de nanopartículas de maghemita y la enorme cantidad de hierro que se logra acumular por bacteria hace que el sistema sea útil en la industria de nutrición como probiótico para suplemento de hierro. La optimización de la síntesis a nivel industrial llevada a cabo en los laboratorios de Biosearch SA han permitido obtener formulaciones con una viabilidad apropiada de 1010 CFU y con concentraciones de Fe de 2-14 mg/ml. Ensayos preliminares en ratas han puesto de manifiesto que estas bacterias magnéticas artificiales son capaces de recuperar los niveles de Fe en ratas con anemia inducida. Asimismo, hemos logrado hacer un seguimiento de la biodistribución del hierro y su degradación intestinal haciendo uso de las curvas de susceptibilidad magnética AC en fase y fuera de fase de los diferentes tejidos aislados. De estos estudios se ha concluido que las partículas sufren degradación a nivel del intestino delgado y que son eliminadas vía fecal sin una degradación completa. Estos datos preliminares van a permitir diseñar nuevos experimentos con la idea de optimizar la dosis para el empleo de estas bacterias magnéticas artificiales como suplementos de hierro para anemia. Por último en el capítulo siete, hacemos un resumen del trabajo desarrollado durante esta tesis doctoral y extraemos y comentamos los resultados más significativos. Capítulo de conclusiones.